新型能源材料

1、姓名：楊仁和 一：核聚變的研究背景 二：核能核聚變和核裂變 三：可控核聚變 四：托卡馬克（Tomaka）裝置 五： Tokama面臨的問題 六：EAST未來的發(fā)展方向 不可再生能源：人類的煤炭，石油等這些化石能源的儲藏量大概可供人類再使用200年左右。 可再生能源：風能，太陽能等具有一定的限制。 所以說人類最終的能源一定核聚變。太陽就是一個巨大的聚變體，幾十億年為人類提供了光和熱，所以說我們要解決能源問題就必須實現(xiàn)“可控核聚變”。 為實現(xiàn)“可控核聚變”科學家想了很多辦法，希望在地球上能夠?qū)崿F(xiàn)“人造太陽”這一夢想?！叭嗽焯枴钡膲粝胍坏崿F(xiàn)，將會為人類帶來100億年以上的清潔能源。 隨著工業(yè)社會

2、的不斷發(fā)展,能源的短缺問題越來越影響人類的生存與發(fā)展。由于目前發(fā)現(xiàn)的可持續(xù)能源形式有風能、太陽能、水能、生物能等清潔能源,這些都源于太陽聚變反應所發(fā)出的能量。各種新型能源受地域、輸出功率、儲量等限制,只能作為補充方案,難以進行大規(guī)模的開發(fā)利用。所以研究核能意義重大。 （1）核裂變核聚變的概念 核裂變反應：一個重核裂變成兩個或多個中等核數(shù)的核子，同時釋放出巨大的能量。 核聚變反應：兩個輕核數(shù)的核子結(jié)合成一個中等核數(shù)的核子，同時能釋放出巨大的能量。 熱核聚變能是輕核聚變所釋放的能量。地球上最容易實現(xiàn)的聚變反應是氘氚反應： D( 氘) +T( 氚) ( 氦- 4) +n( 中子) +17.6MeV

3、能量 其中， 中子攜帶14.1MeV 能量。 在1 噸海水中氘約含40 克、鋰約0.15 克，中子照射鋰-6 可造氚。 1）原料來源廣泛： 浩瀚的大?？蔀槿祟愄峁┚圩兡茉粗辽賻资畠|年。其原料氘可從海水中提取，且含量豐富，氚可采用中子轟擊鋰得到,而鋰也可從海水中大量提取。 2）輕核反應無放射性： 同時氘氚反應過程不產(chǎn)生放射性，即使14.1MeV 中子輻照到物質(zhì)上所產(chǎn)生的放射性也是短壽命。 聚變反應的產(chǎn)物為氦，對環(huán)境沒有污染，可以自 然排放。 4）聚變釋放能量高： 相同質(zhì)量的原料，聚變反應釋放的能量是鈾235裂變釋能的4倍。 5）成本低： 1公斤濃縮鈾的成本約為1.2萬美元，而1公斤氘僅需300美

4、元。 3）對環(huán)境無污染： 萬一發(fā)生事故，反應堆會自動冷卻而停止反應，不會產(chǎn)生放射性污染物， 不會發(fā)生爆炸事故。 7）人工可控聚變： 6）安全可靠： 因此,可控聚變能的利用被認為是最終解決人類能源問題的有效手段之一。 目前進行的受控核聚變研究主要有兩種途徑： （1）慣性約束核聚變 （2）磁約束可控控核聚變 而托卡馬克裝置被認為最有可能實現(xiàn)受控磁約束核聚變的方式之一。（1）慣性約束聚變 慣性約束聚變(inertial confinement fusion)：是利用粒子的慣性作用來約束粒子本身，從而實現(xiàn)核聚變反應的一種方法。 其基本思想是：利用驅(qū)動器提供的能量使靶丸中的核聚變?nèi)剂?氘、氚)形成等離子

5、體，在這些等離子體粒子由于自身慣性作用還來不及向四周飛散的極短時間內(nèi)，通過向心爆聚被壓縮到高溫、高密度狀態(tài)，從而發(fā)生核聚變反應。由于這種核聚變是依靠等離子體粒子自身的慣性約束作用而實現(xiàn)的，因而稱為慣性約束聚變。 慣性約束聚變 用特殊形態(tài)的磁場把氘、氚等輕原子核和自由電子組成的、處于熱核反應狀態(tài)的超高溫等離子體約束在有限的體積內(nèi)，使它受控制地發(fā)生大量的原子核聚變反應，釋放出能量。 等離子體受磁約束 等離子體是不同于固體、液體和氣體的物質(zhì)第四態(tài)。物質(zhì)由分子構(gòu)成，分子由原子構(gòu)成，原子由帶正電的原子核和圍繞它的、帶負電的電子構(gòu)成。當被加熱到足夠高的溫度，外層電子擺脫原子核的束縛成為自由電子，電子離開原

6、子核，這個過程就叫做“電離”。這時，物質(zhì)就變成了由帶正電的原子核和帶負電的電子組成的、一團均勻的漿糊，因此人們戲稱它為“離子漿”，這些離子漿中正負電荷總量相等，因此它是近似電中性的，所以就叫等離子體。 等離子體(plasma)：又叫做電漿，是由部分電子被剝奪后的原子及原子團被電離后產(chǎn)生的正負離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，其運動主要受電磁力支配，并表現(xiàn)出顯著的集體行為。 它廣泛存在于宇宙中，等離子體是一種很好的導電體，利用經(jīng)過巧妙設(shè)計的磁場可以捕捉、移動和加速等離子體。 等離子體 普通氣體與等離子體的對比 托卡馬克，是一種利用磁約束來實現(xiàn)可控核聚變的環(huán)形容器。 托卡馬克是一種將磁力線彎曲為環(huán)形的磁

7、約束裝置，最初是在上世紀70年代由蘇聯(lián)科學家發(fā)明。該裝置由中央環(huán)形的真空室及外繞線圈組成。 它的名字 Tokamak來源于環(huán)形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit）、線圈(kotushka)。 托卡馬克的中央是一個環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時候托卡馬克的內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。 其突出的特點是磁力線為螺旋形,螺旋磁場由環(huán)形的磁場BT及極向場BP組成。這種設(shè)計可以克服開環(huán)裝置兩端等離子體泄露的問題,同時極向場滿足磁流體動力學平衡的要求,維持等離子體在徑向和垂直方向上的平衡。 托卡馬克內(nèi)部結(jié)構(gòu)（真空室）

8、 托卡馬克內(nèi)部結(jié)構(gòu)托卡馬克內(nèi)部線圈分布示意圖1950年代,英國和美國主要集中在裝置的研究上，前蘇聯(lián)建造了世界上第一個托卡馬克裝置，其顯著優(yōu)點是通過強大的環(huán)向磁場增加了等離子體的穩(wěn)定性。1960年代，限制器的發(fā)展與運用，將等離子體與真空室隔離開，使等離子體雜質(zhì)減少，得到較為純凈的等離子體，同時等離子體電子溫度升高。1980年代早期，建造了兩個大型的托卡馬克裝置。其設(shè)計等離子體電流可達兆安量級，并能獲得可觀的氘氚熱核反應能量。1991年，TFTR和JET采用氘氚分別獲得了10MV和16MV的聚變功率輸出，這在托卡馬克裝置的發(fā)展上具有里程碑的意義。2006年11月21日，七個成員國美國、歐盟、俄羅斯

9、、中國、日本、印度和韓國簽署了建造ITER(國際熱核聚變實驗堆）合作協(xié)議。2006年9月28日，中國耗時8年、耗資2億元人民幣自主設(shè)計、自主建造而成的新一代熱核聚變裝置EAST首次成功完成放電實驗，獲得電流200千安、時間接近3秒的高溫等離子體放電。EAST（東方超環(huán)）成為世界上第一個建成并真正運行的全超導非圓截面核聚變實驗裝置。 “東方超環(huán)”是由中國科技工作者獨立設(shè)計制造的世界首個全超導托卡馬克，于2007年3月通過國家驗收，其三大科學目標是在未來15年內(nèi)實現(xiàn)1兆安電流、1000秒放電、1億度高參數(shù)等離子體的穩(wěn)定運行，為國際熱核聚變試驗堆ITER和中國未來獨立設(shè)計建設(shè)運行聚變堆奠定堅實的科學

10、和技術(shù)基礎(chǔ)。 2016實驗獲得的穩(wěn)定的102秒放電是時間最長的托卡馬克高溫偏濾器等離子體放電，處于國際領(lǐng)先水。對未來ITER的物理實驗有重要的借鑒作用。 EAST 裝置主機結(jié)構(gòu) EAST全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(1)關(guān)鍵是熱核試驗堆第一壁材料的選用 也就是面向高溫等離子體的第一壁結(jié)構(gòu)材料的選擇，也稱為面向等離子體材料（PFMs）。 目前，世界上已有的材料中還沒有任何一種材料能勝任第一壁的工作要求。 （2）PFMs的性能要求 熱核聚變裝置中，聚變等離子體的邊緣與PFMs有著強烈的沖刷作用，PFMs的主要功能是有效控制進入等離子體的雜質(zhì)，有效傳遞輻射到材料表面的熱量，保護非正常停堆時其它部件因

11、受等離子體轟擊而損壞。（1）良好的導熱性、抗熱沖擊性和高熔點（）低的濺射產(chǎn)額（）氫（氘、氚）再循環(huán)作用低（）低的放射性 所以鎢及鎢基材料具有高熔點、高熱導率、低濺射產(chǎn)額和高自濺射閾值、低蒸氣壓和低氚滯留性能，成為最具應用前途的一類PFMs。 PFMs的選擇是一項非常具有挑戰(zhàn)性的工作，鈹、碳基材料以及鎢是目前最為熱門的候選材料，下表給出了幾種熱門候選材料在600下的基本性能。幾種PFMs在600的基本性能 鈹、碳基材料以及鎢是目前最為熱門的PFMs的候選材料，除了上述熱門的候選材料外，尋找和開發(fā)新的用于未來核聚變裝置的PFMs也是一項重要的挑戰(zhàn)和工作。 我國未來聚變發(fā)展戰(zhàn)略應瞄準國際前沿，廣泛利

12、用國際合作，夯實我國磁約束核聚變能源開發(fā)研究的堅實基礎(chǔ)，加速人才培養(yǎng)，以現(xiàn)有中、大型托卡馬克裝置為依托，開展國際核聚變前沿課題研究，建成知名的磁約束聚變等離子體實驗基地，探索未來穩(wěn)定、高效、安全、實用的聚變工程堆的物理和工程技術(shù)基礎(chǔ)問題。第一：（20152020）以建立近堆芯級穩(wěn)態(tài)等離子體實驗平臺，吸收消化、發(fā)展與儲備聚變工程實驗堆關(guān)鍵技術(shù)，并設(shè)計、聚變工程實驗堆關(guān)鍵部件預研等為近期目標。第二： (20202040 年)以建設(shè)、運行聚變工程實驗堆，開展穩(wěn)態(tài)、高效、安全聚變堆科學研究為中期目標。 第三：(20502060 年)以發(fā)展聚變電站，探索聚變商用電站的工程、安全、經(jīng)濟性為長遠目標。1呂廣宏，羅廣南，李建剛磁約束核聚變托卡馬克等離子體與壁相互作用研究進展J中國材料進展，20